从安全寿命到损伤容限——结构设计的观念演变

从安全寿命到损伤容限

——结构设计的观念演变

摘要

结构的设计，必须在性能、安全、成本三者间取得平衡。

最早仅考虑材料静力强度；20世纪30年代后为采用线性疲劳观念的“安全寿命”， 50年代改进为“破损安全”；而70年代则使得“损伤容限”成为现今的标准结构设计准则。1988年揭示了散布型疲劳损伤（亦称为“广布疲劳”）成为“损伤容限”结构设计的新课题。

1、静力强度

早期应用中，由于金属材料极富韧性（ductility），结构设计方法很保守，因此结构的安全裕度（Margin of Safety）相当大。在结构遭遇疲劳问题之前，设备早就因为其它使用原因而失效了，因此结构疲劳寿命不是此时的设计重点。结构设计只要满足材料静力强度（Static Strength）就不会有问题，结构分析则以静力试验为佐证，试验负载是使用负载乘以一个安全系数，以计入不确定因素，比如：负载不确定、结构分析不准确、材料性质变异、制造质量变异……等。

为了减轻结构重量以提升使用性能，在材料静力强度主导结构安全的思想下，一些强度高但韧性低的金属材料开始出现在设备结构上。只是此时的设备运行工况已非昔日设计工况可比，结构应力大增，应

力集中（Stress Concentration）效应使高应力情况更加恶化，最后导致产生疲劳裂纹，降低了结构安全裕度，材料静力强度已不足以保证设备运行的结构安全。

2. “安全寿命”

“安全寿命”（Safe Life）设计观念。在这种设计观念里，设备在预定的运行期间内需能承受预期的反复性负载，当结构运行时数到达运行寿命时，认定结构疲劳寿命已经完全耗尽，设备必须报废。

“安全寿命”设计观念的缺点，在于它的疲劳分析与设计一般是采用“疲劳强度耐久限制”（Fatigue Strength‐Endurance Limit）的方法，也就是所谓的麦林法则（Miner's Rule）。它是在实验室里对多片截面积各异的小尺寸材料试片，施加不同的等振幅（Constant Amplitude）负载，直到试片疲劳破坏为止，以获得此材料在各种施加应力和发生疲劳破坏的负载周期之数据，称之为S‐N曲线（S‐N Curve，S代表施加应力，N代表负载周期数），再以实际结构件在各种设计运行条件下的应力，找到相对应的疲劳破坏负载周期数，依线性累加的方式加总，就可预测结构的疲劳寿命，并应用于设计。虽然这种方法已行之多年，且普遍为一般结构设计及分析所接受，然而这种分析方法有其先天上的缺点，使得分析的结果常不符合实际。

因为一般在实验室里做这种小型试片的疲劳试验时，试片表面上都有经过特别处理，以使试片表面尽可能光滑平整而没有任何缺陷，也就是没有任何裂纹的存在。因此，由这种试片所得的疲劳寿命试验数据，就包括了裂纹初始（Crack Initiation）及裂纹生长（Crack Growth）

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之九十以上。传统的麦林法则分析结果，一律包含了裂纹初始及裂纹生长两阶段时间，显然过于乐观，也因此在传统的疲劳设计里，往往要采用一相当大的安全系数（一般是4）来尽量避免这项偏差，而过大的安全系数又常常会造成设计结构的超重。

至于用来验证结构运行寿命的全结构疲劳试验（Full Scale Fatigue Test），也因为试验设备无法完全表现量产型设备在制造过程中所留下的制造瑕疵，让试验结果充满不确定性。

多项统计数据表明，很多设备的失效案例中，56%以上可归咎于制造过程遗留下的预存（pre‐existing）裂纹，这些裂纹是设备运行期间发生疲劳破坏的主因，但无论是全结构疲劳试验或是麦林法则，都无法计入这些预存裂纹对疲劳寿命的影响。

为确定设备运行具有等效的结构安全，后来认为在结构的设计阶段，需根据以往经验搭配最新理论执行疲劳分析，并以静力试验及全结构疲劳试验进行验证；设备的设计使用寿命（即：安全寿命）为全结构疲劳试验所验证的运行时数除以安全系数（通常是4），以计入材质、制造、组装过程、负载、……等不确定因素；运行阶段需执行设备运行负载的量测，获得运行的真实结构负载，以持续更新设计阶段的疲劳分析数据，确切掌握结构的实际使用寿命。

3.破损安全

在更明确的规范中规定，除了“疲劳强度”（Fatigue Strength，也就是“安全寿命”）设计外，也可采用“破损安全强度”（Fail‐Safe Strength）设计。

设备结构中，那些大幅负担运行负载，一旦损坏又未能发现时，最终会造成设备损毁的结构零组件，称为主结构（Principal Structural Element）。“破损安全”设计要求当设备某一主结构局部损坏或完全破坏时，在运行负载大小不超过百分之八十的限制负载乘以1.15动态因子（Dynamic Factor）的条件下，主结构的负载会由邻近的其它结构分担，设备不会因结构过度变形致使运行特性大幅度恶化，也不致有立即的破坏顾虑。

“安全寿命”设计的设备需有主结构的疲劳分析或试验，且需执行设备静载荷与运行载荷合并作用下的全结构疲劳试验；而采用“破损安全”设计的设备，需以分析或试验的方式证明，在前段所述的静力负载（Static Load）作用下，主结构强度符合设计需求（例如：在施加负载下切断一主结构件，或是在设备上切出一条短裂缝，此时邻近的其它结构仍能承担规定负载），不硬性要求全结构疲劳试验，且旧型设备相同设计观念下的运行经验，亦可成为结构强度的等效佐证。至于是否需对主结构进行定期检查，虽然一般都认为应该要有，但在主结构发生不明显损坏时，是否应依据邻近其它结构的剩余寿命订定检查时距，则没有规定。

“破损安全”设计观念的基本论点是：设备主结构一旦发生损坏时，在运行中会使运行特性明显改变，很容易会被一般的目视检查发现，因此只要是在正常的维修或操作情形下，就能防止主结构突然的致命性毁坏。就疲劳而言，这种设计的结构只要无损坏，几乎就可无限期使用，既无需定期更换，也不必制订特定的检查，加上未强制执